Qlepas = Qterima
5. Perpindahan Kalor
Kalor dalam kehidupan sehari-hari bisa berpindah dari satu benda ke benda yang lain, dalam perpindahannya kalor dapat melalui beberapa cara, yaitu konduksi, konveksi dan radiasi.
a. Hantaran (Konduksi)
Konduksi merupakan proses perpindahan kalor melalui zat perantara tanpa disertai perpindahan molekul zat. Contoh konkretnya adalah ketika kita mencelupkan sendok logam ke air panas setelah beberapa saat kita merasakan bahwa sendok ikut menjadi panas. Panasnya sendok tersebut tanpa disertai berpindahnya molekul air ke ujung sendok. Pada peristiwa tersebut sendok tergolong bahan yang mudah menghantarkan kalor dengan baik. Bahan seperti ini kita kenal sebagai konduktor. Kebalikannya bahan yang susah menghantarkan kalor dengan baik kita kenal dengan isolator.
Peristiwa konduksi dapat diakibatkan oleh migrasi elektron dan getaran atom disekitar posisi setimbangnya. Saat sebuah logam dipanaskan maka elekron-elektron di bagian yang dipanaskan bergetar/bergerak lebih kencang sehingga energi kinetiknya naik. Akibatnya elektron berpindah ke bagian yang memiliki energi kinetik lebih rendah (bagian benda yang lebih dingin). Perpindahan tersebut menyebabkan tumbukan elektron sehingga elektron yang berenergi rendah naik energinya menjadi tinggi, hal ini direpresentasikan dengan kenaikan suhu bagian benda yang awalnya dingin. Perpindahan elektron yang berenergi tinggi berlangsung terus sampai semua bagian benda terimbas energinya yang ditandai dengan meratanya suhu dari benda tersebut. Peristiwa konduksi akibat migrasi elektron hanya terjadi pada logam yang punya elektron bebas.
Peristiwa konduksi berikutnya dapat terjadi pada zat padat selain logam, dimana perambatan kalornya melalui getaran atom pada bagian yang dipanaskan. Saat atom-atom di lokasi pemanasan bergetar lebih kencang akan mengakibatkan atom-atom disekitarnya ikut bergetar lebih kencang dari sebelumnya. Getaran kencang atom tetangga ini diikuti oleh tetangga yang lebih jauh. Begitu seterusnya sehingga terjadi perpindahan getaran atom. Pada akhirnya semua atom dalam zat bergetar lebih kencang. Hal Ini merepresentasikan fenomena perambatan kalor dimana idak ada atom yang berpindah hanya getaran atom yang lebih kencang saja yang berpindah.
Perpindahan kalor dari suatu bahan ke bahan yang lain dapat dihitung kelajuannya dengan menggunakan persamaan:
. . . (2.15)
Dimana : H = laju hantaran kalor (J/s)
∆Q = jumlah aliran kalor (J)
∆t = selang waktu (s)
k = konduktivitas termal (J/s.moC) A = Luas penampang benda (m2)
∆T = Perbedaan suhu kedua ujung benda yang dialiri kalor (oC) l = Jarak kedua ujung benda atau tebal benda (m)
Gambar 2.6 Aliran kalor pada 2 bahan yang berbeda
T1
T2
Aliran
kalor
l
�=∆∆�� atau H = �.�∆� � � � �=�.� � � �Konduktivitas termal (k) pada persamaan di atas merupakan karakteristik zat/bahan tersebut. Bagaimana halnya dengan bahan isolator? Karakteristik termal pada isolator biasa dinyatakan sebagai resistensi termal (R), dimana R adalah:
. . . . . . . (2.16) Dimana : l = panjang isolator (m)
k = konduktivitas termal (J/s.moC)
Tabel 2.4 Konduktivitas termal beberapa bahan
No. Bahan Konduktivitas termal (k) [J/s.moC] kkal/s.m.oC J/s.m.oC 1 Perak 10.10-2 420 2 Tembaga 9,2.10-2 380 3 Alumunium 5.10-2 200 4 Baja 1,1.10-2 40 5 Es 5.10-4 2 6 Gelas (biasa) 2.10-4 0,84
7 Batu bata dan beton 2.10-4 0,84
8 Air 1,4.10-4 0,56
9 Jaringan tubuh manusia (tidak termasuk
darah) 0,5.10
-4
0,2
10 Kayu 0,2 – 0,4.10-4 0,08 – 0,16
11 Isolator fiberglass 0,12.10-4 0,048 12 Gabus dan serat kaca 0,1.10-4 0,042
13 Wol 0,1.10-4 0,040
14 Bulu angsa 0,06.10-4 0,025
15 Busa polyurethane 0,06.10-4 0,024
16 Udara 0,055.10-4 0,023
b. Aliran (Konveksi)
Zat cair dan gas umumnya bukan merupakan penghantar kalor yang sangat baik, akan tetapi dapat menghantarkan kalor cukup cepat dengan konveksi. Konveksi adalah proses perpindahan panas (kalor)
melalui suatu zat yang disertai dengan perpindahan molekul-molekul zat. Konveksi dibagi menjadi dua jenis, yakni konveksi almiah dan konveksi paksa. Konveksi Alamiah pada fluida terjadi karena adanya perbedaan massa jenis. Contoh sederhana adalah peristiwa mendidihnya air. Coba kalian perhatikan air yang sedang mendidih. Ketika air akan mendidih, tampak gelembung-gelembung dari dasar panci atau wadah bergerak ke atas. Peristiwa ini terjadi karena air bagian bawah yang mendapatkan panas terlebih dahulu mempunyai massa jenis yang lebih kecil daripada air di bagian atas. Akibatnya, molekul air yang suhunya panas bergerak ke atas digantikan dengan air yang bersuhu lebih dingin. Kejadian ini terjadi terus menerus sehingga semua air di dalam wadah mendidih. Contoh konveksi alamiah lainnya adalah asap yang bergerak ke atas.
Ketika kita membakar sesuatu, udara panas di dekat api akan memuai sehingga massa jenisnya menjadi kecil. Sementara, udara dingin yang berada di sekitar api menekan udara panas ke atas. Akibatnya, terjadi arus konveksi udara pada udara dan asap bergerak ke atas. Sementara itu, konveksi paksa terjadi saat fluida yang dipanasi langsung diarahkan ke tujuannya oleh sebuah peniup atau pompa. Contohnya dapat dilihat pada sistem pendingin mobil. Pada sistem pendingin mobil ini air diedarkan melalui pipa-pipa dengan bantuan pompa air. Contoh konveksi paksa lainnya adalah pengering rambut. Kipas dalam pengering rambut menarik udara di sekitarnya. Kemudian, meniupkan udara tersebut melalui elemen pemanas sehingga menghasilkan arus konveksi paksa. Apabila suatu benda atau zat bersuhu tinggi memindahkan kalor ke fluida di sekitarnya secara konveksi, maka laju aliran kalornya sebanding dengan luas permukaan benda yang bersentuhkan dengan fluida dan sebanding dengan perbedaan suhu antara benda atau zat dan fluida. Laju aliran kalor secara konveksi dapat dihitung dengan rumus:
. . . . . . . (2.17)
h = koefisien konveksi (J/s.m.oC atau J/s.m.K) A = luas penampang benda (m2)
∆T = perbedaan suhu antara benda dengan fluida (oC) Koefisien konveksi berhubungan dengan bentuk dan posisi permukaan yang bersentuhan dengan fluida.
c. Pancaran (Radiasi)
Pernahkah Anda berpikir, bagaimana panas matahari sampai ke bumi? Anda ketahui bahwa di antara matahari dan bumi terdapat lapisan atmosfer yang sulit menghantarkan panas secara konduksi maupun konveksi. Selain itu, di antara matahari dan bumi juga terdapat ruang hampa yang tidak memungkinkan terjadinya perpindahan kalor. Dengan demikian, perpindahan kalor dari matahari sampai ke bumi tidak memerlukan perantara. Perpindahan kalor yang tidak memerlukan zat perantara (medium) disebut radiasi. Setiap benda mengeluarkan energi dalam bentuk radiasi elektromagnetik. Laju radiasi dari permukaan suatu benda berbanding lurus dengan luas penampang, berbanding lurus dengan pangkat empat suhu mutlaknya, dan tergantung sifat permukaan benda tersebut. Secara matematis dapat di tulis sebagai berikut.
H = A.e. σ.T4 . . . . . . (2.18) Dimana: H = laju radiasi (J/s atau Watt)
A = luas penampang benda (m2) T = suhu mutlak (K)
e = emisitas bahan (0 < e ≤ 1)
σ = tetapan Stefan-Boltzmann (5,6705119 × 10-8 W/mK4)
Emisivitas merupakan karakteristik suatu benda yang bergantung pada jenis zat dan permukaannya. Permukaan yang hitam, seperti arang mempunyai emisivitas yang mendekati 1, yang berarti dapat memancarkan dan menyerap radiasi sangat baik. Sementara, permukaan yang mengkilat mempunyai emisivitas yang mendekati 0 yang menunjukkan benda kurang baik dalam memancarkan dan menyerap radiasi.
Suatu benda yang memancarkan radiasi ke lingkungan dapat kita ukur kecepatan total aliran kalor radiasinya menggunakan persamaan:
= ∆ ∆ = . . ) . . . . . . (2.19)
Dimana : T1 = suhu benda (K)
T2 = suhu lingkungan di sekitar (K)
Radiasi banyak dimanfaatkan dalam keseharian, misalnya api unggun, pendiangan rumah, pengeringan padi, dan sebagainya. Sementara, pada bidang teknologi radiasi dimanfaatkan untuk termos guna mencegah perpindahan kalor, efek rumah kaca, pemanggang (oven), dan lain-lain.
D. Aktivitas Pembelajaran
Aktivitas pembelajaran yang diharapkan saat mempelajari modul ini adalah peserta diklat dapat antusias mengekplorasi pengalaman dirinya saat membelajarkan topik Suhu dan Kalor pada peserta didik di sekolah, baik pada saat menemukan masalah dan bagaimana cara menyelesaikannya. Peserta diklat diharapkan dapat aktif berdiskusi, bekerjasama dan bertanggungjawab dalam menyelesaikan lembar kerja/ kasus/latihan/tugas di modul ini.
E. Latihan/Kasus/Tugas
E.1 Latihan Soal
Setelah mempelajari materi Fluida, silahkan Anda mencoba mengerjakan latihan soal secara mandiri selanjutnya diskusikan dalam kelompok. Kumpulkan hasil kerja anda tepat waktu sesuai jadwal yang telah disepakati!